Конструкции жилых и общественных зданий на каркасах из легких стальных оцинкованных тонкостенных профилей (ЛСТК) на примере жилого дома в д. Кривское Калужской области тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат наук Нефедов Глеб Владимирович

• Нефедов Глеб Владимирович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Нефедов Глеб Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Исторический обзор теоретических и экспериментальных исследований несущей способности тонкостенных конструкций

1.2. Анализ американских и европейских норм проектирования тонкостенных стальных конструкций из гнутых профилей

1.3. Конструктивное решение жилого шестиэтажного дома на каркасе из холодногнутых оцинкованных С-образных профилей с заполнением пенобетоном неавтоклавного твердения

1.4. Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТАНДАРТА НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ,

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ВОЗВЕДЕНИЕ НЕСУЩИХ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПЕНОБЕТОНА И СТАЛЬНЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

2.1. Энергоэффективность

2.2. Пожаростойкость

2.3. Сейсмостойкость

2.4. Долговечность

2.5. Материалы для изготовления пенобетона

2.6. Физико-механические характеристики

2.7. Физико-технические характеристики

2.8. Основные рекомендации при проектировании зданий из ЛСТК и монолитного пенобетона

2.9. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРОВЕДЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Исследование коррозионной стойкости и долговечности каркаса шестиэтажного жилого дома

3.1.1. Оценка соответствия цинкового покрытия требованиям ГОСТ

9

3.1.2. Определение оптимального сопротивления теплопередаче, толщины утеплителя и коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций

3.1.3. Проверка отсутствия конденсации водяных паров на поверхности и толще наружной стены

3.1.4. Оценка коррозионной стойкости и долговечности эксплуатации стальных профилей

3.2. Подтверждение несущей способности узлов на самонарезающих

винтах

3.3. Пожаробезопасность. Испытания на огнестойкость

3.3.1. Испытание стеновых панелей

3.3.2. Испытание перекрытия

3.4. Тепловизионный контроль качества тепловой защиты здания

3.5. Мониторинг перемещений несущих строительных конструкций шестиэтажного жилого дома

3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

ПОЛНОРАЗМЕРНЫХ ОБРАЗЦОВ КОНСТРУКЦИЙ ШЕСТИЭТАЖНОГО ЖИЛОГО ДОМА

4.1. Испытание составных стоек из холодногнутых оцинкованных С-образных профилей

4.2. Испытание фрагментов стеновых панелей из холодногнутых оцинкованных С-образных профилей с заполнением пенобетоном неавтоклавного твердения

4.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.Справка и акт и о внедрении результатов диссертационного

исследования

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Патент на полезную модель

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструкции жилых и общественных зданий на каркасах из легких стальных оцинкованных тонкостенных профилей (ЛСТК) на примере жилого дома в д. Кривское Калужской области»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Мировой опыт строительства и эксплуатации многоэтажных жилых и общественных зданий на каркасах из легких металлоконструкций высотой в десять и более этажей насчитывает несколько десятков лет. За это время накоплена статистика, свидетельствующая о безопасности, надежности и высокой энергоэффективности этих зданий (Рисунок 1).

%

80 70 60 50 40 30 20 10 0

Источник: РБК

Россия Британия США Швеция Норвегия

%

70 60 50 40 30 20 10 0

Источник: отраслевые экспертные оценки

Россия Британия США Япония Евросоюз

Рисунок 1 - Доля строительства многоэтажных жилых и общественных зданий на основе металлокаркаса из гнутых профилей

Российский опыт возведения таких зданий не столь велик, но уже построен жилой дом высотой шесть этажей в д. Кривское Калужской области (сдан в 2018 г.), который на текущий момент является самым высоким в России жилым зданием, реализованным на несущем каркасе из легких металлических холодногнутых оцинкованных профилей (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Жилой дом, Калужская область, д.Кривское Новизна данной конструкции, а также желание расширить в дальнейшем область применения несущих каркасов из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) потребовала выполнения научного сопровождения проекта и обоснования принятых проектных решений.

Связано это с тем, что существующие инженерные методы, по которым выполнялся расчет и проектирование несущих конструкций шестиэтажного жилого дома, поставили ряд вопросов, для решения которых потребовалось проведение дополнительных натурных испытаний полноразмерных образцов и фрагментов конструкций.

Актуальность работы заключается в возможности расширения области применения холодногнутых оцинкованных профилей, в новизне конструкции жилого дома, социальной значимости таких объектов.

Степень разработанности темы исследования. Ограниченная нормативная база для расчета и проектирования холодногнутых оцинкованных профилей является на сегодняшний момент основным сдерживающим фактором применения этих конструкций в различных областях строительства. В мире разработаны нормы и стандарты для проектирования конструкций из ЛСТК: европейские нормы проектирования Eurocode 3 [69,70], австралийские нормы AS,

американский стандарт АКС [85] и др. Прямое применение этих нормативных документов на территории Российской Федерации невозможно по ряду причин. В том числе из-за отсутствия их привязки к опыту проектирования, сортаменту выпускаемого металлопроката, отсутствия учета специфики климатических условий строительства.

В Российской Федерации в настоящее время при проектировании и расчете стальных тонкостенных конструкций применяют свод правил СП 260.1325800.2016 «Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов. Правила проектирования» [48]. В странах Евросоюза для подобных расчетов применяют положения европейского стандарта ЕК 1993-1-3 «Общие правила. Дополнительные правила для холодноформованных элементов и профилированных листов» [69] с национальными приложениями. По сути, Свод правил СП 260.1325800.2016 является переработанными европейскими стандартами ЕК 1993-1-1, ЕК 1993-1-3, ЕК 1993-1-5. Однако, использование данного нормативного документа не позволяет в полной мере снять все возникающие вопросы проектирования в части подтверждения несущей способности, огнестойкости, долговечности, коррозионной стойкости, теплоэффективности. В связи с этим, исследование новых типов конструкций для обеспечения их эксплуатационной надежности является важным и актуальным шагом на текущий момент.

Цель работы - развитие и совершенствование инженерной методики расчета и проектирования конструкций зданий из холодногнутых оцинкованных профилей, в том числе с заполнением пенобетоном неавтоклавного твердения.

Задачи исследований:

1. Исследование коррозионной стойкости и долговечности каркаса из оцинкованных холодногнутых профилей в среде пенобетона неавтоклавного твердения;

2. Проведение пожарных испытаний с целью определения предела огнестойкости конструкций, выполненных из стальных холодногнутых профилей с заполнением пенобетоном неавтоклавного твердения;

3. С целью подтверждения теплоэффективности ограждающих конструкций здания провести тепловизионный контроль качества тепловой защиты;

4. Разработка рекомендации по проведению мониторинга здания с целью обеспечения долговременной и безопасной эксплуатации;

5. С целью проверки обоснованности теоретических предпосылок расчета определить экспериментально несущую способность стоек составного сечения из спаренных С-образных профилей при центральном сжатии;

6. С целью проверки обоснованности теоретических предпосылок расчета определить экспериментально несущую способность элементов стеновых панелей, выполненных из спаренных оцинкованных С-образных профилей, с заполнением пенобетоном неавтоклавного твердения с плотностью в диапазоне 300^900 кг/м .

Объектом исследования является конструкция здания из холодногнутых оцинкованных профилей с заполнением пенобетоном неавтоклавного твердения жилого шестиэтажного дома.

Предметом исследования является несущая способности, огнестойкость, долговечность, коррозионной стойкость, теплоэффективность многоэтажных зданий с каркасом из тонкостенных холодногнутых оцинкованных профилей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- уточнена инженерная методика расчета конструкций из холодногнутых профилей, в том числе с заполнением пенобетоном;

- разработаны и внедрены рекомендации по проведению мониторинга здания в процессе эксплуатации, а также система контроля за напряженно-деформированным состоянием несущих конструкций, определены величины предельно допустимых перемещений каркаса здания, разработаны схемы расположения и количество наблюдаемых контрольных точек.

Теоретическая значимость работы:

- определено, что частота скрепления С-образных профилей между собой на расстоянии равном 30 ief min не позволяет в полной мере считать элемент

сплошностенчатым; необходимо дополнительное понижение значения коэффициента условий работы ус при определении несущей способности элемента составного сечения;

- выявлен эффект совместной работы стальных стоек каркаса панели и пенобетона при применении пенобетона средней и высокой плотности (600 ^ 900 кг/м3) и связанное с ним повышение прочности, общей и местной устойчивости стальных стоек;

- получены зависимости «о-е» и формы исчерпания несущей способности при центральном сжатии для составных стоек из оцинкованных холодногнутых С-образных профилей в зависимости от их гибкости и соотношения высоты сечения профиля к его толщине.

- получены зависимости «о-е» и формы исчерпания несущей способности при центральном сжатии для составных стоек из оцинкованных холодногнутых С-образных профилей в среде пенобетона неавтоклавного твердения в диапазоне

33

плотностей от 300 кг/м до 900 кг/м .

Практическая значимость работы:

- разработаны практические рекомендации по подбору и проверке несущей способности сечений тонкостенных холодногнутых оцинкованных С-образных профилей в среде пенобетона неавтоклавного твердения различной плотности;

- уточнён коэффициент условий работы ус для колонн и стоек из спаренных С-образных профилей; уточненное значение коэффициента условий работы ус внесено в проект изменений №2 Свода правил СП 260.1325800 «Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов. Правила проектирования»;

- получены значения срока службы, долговечности и коррозионной стойкости конструкций из стальных оцинкованных холодногнутых профилей в среде пенобетона неавтоклавного твердения;

- определены пределы огнестойкости конструкций из холодногнутых профилей с заполнением пенобетоном неавтоклавного твердения.

Методология и методы исследования. В рамках диссертационной работы методологической и теоретической базой для определения действительной работы конструкций жилого шестиэтажного дома с каркасом из оцинкованных холодногнутых профилей явились работы отечественных и зарубежных ученых, проведённые натурные испытания. Обработка экспериментальных данных выполнена в соответствии с требованиями и рекомендациями отечественных и зарубежных нормативных документов.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы; определении долговечности, коррозионной и огнестойкости несущих конструкций из тонкостенных холодногнутых профилей с заполнением пенобетоном; уточнении методики расчета составных стоек из холодногнутых оцинкованных С-образных профилей; уточнении методики расчета составных стоек из холодногнутых оцинкованных С-образных профилей в среде пенобетона неавтоклавного твердения; обработке и анализе данных проведенных численных и экспериментальных исследований; написание на тему диссертации статей для публикации в периодических изданиях.

На защиту выносятся:

- уточненная инженерная методика расчета конструкций из холодногнутых профилей, в том числе с заполнением пенобетоном;

- значения срока службы, долговечности и коррозионной стойкости конструкций из стальных оцинкованных холодногнутых профилей в среде пенобетона неавтоклавного твердения;

- рекомендации по проведению мониторинга несущих конструкций на стадии эксплуатации жилого шестиэтажного дома.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается обоснованным использованием современных апробированных методов численных исследований (в том числе и зарубежных); результатами натурных экспериментальных исследований полноразмерных образцов; использованием сертифицированных программных вычислительных комплексов ANSYS и SCAD Office; хорошей сходимостью результатов численных и натурных исследований;

результатами мониторинга за несущими конструкциями на стадии эксплуатации жилого многоэтажного дома в д. Кривское Калужской области.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседании Комитета ТПП РФ по предпринимательству в сфере строительства и Комитета ТПП РФ по предпринимательству в сфере жилищного и коммунального хозяйства на тему «Обсуждение проекта федерального закона «О реновации жилищного фонда в Российской Федерации» (Москва, 2018г.).

Внедрение результатов работы выполнено при проектировании, изготовлении, монтаже и мониторинге жилого многоэтажного дома в д. Кривское Калужской области.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано три научные статьи, общим объемом 2 печатных листа (1,42 из которых написаны лично автором), в том числе две статьи, общим объемом 1,27 печатных листов (1,27 из которых написаны лично автором), опубликованные в профильных научных журналах, которые входят в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, рекомендуемых ВАК РФ. Решение, примененное при проектировании и возведении шестиэтажного жилого дома в д. Кривское Калужской области, имеет патент на полезную модель №110108 «Сталебетонное перекрытие».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем работы составляет 146 страниц, содержит 111 рисунков, 13 таблиц. Список литературы состоит из 90 наименований, в том числе 30 источников на иностранном языке.

Работа выполнена в лаборатории металлических конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко под руководством профессора, доктора технических наук Иван Ивановича Ведякова.

Экспериментальное проектирование, внедрение результатов исследований осуществлялось совместно со специалистами ЦНИИСК им. Кучеренко, ИЦ «Огнестойкость», «Центром Ячеистых Бетонов», Национальным исследовательским технологическим университетом МИСиС и др.

В проведении исследований и в разработке новых технических решений принимали участие Урицкий М.Р., Шухардин А.А., Акопян А.Б., Вылегжанин В.П., Дуб А.В., Талызин А.А., Иванько Д.Г. и др.

Автор благодарит всех специалистов участников работы и лиц, оказавших содействие в ее выполнении.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Исторический обзор теоретических и экспериментальных исследований несущей способности тонкостенных конструкций

Проведенные исследования показывают, что местные напряжения могут существенно изменить напряженное состояние тонкостенных конструкций, поэтому для общего расчета таких конструкций на прочность необходимо сделать предварительный расчет местной устойчивости плоских элементов, так как местная устойчивость может довольно часто лимитировать несущую способность конструкций при сохранении ею общей расчетной прочности. Особое значение расчеты местной устойчивости приобретают при расширяющемся применении сталей повышенной и высокой прочности, так как при повышении механических характеристик материала сечения элементов стержневых конструкций, с точки зрения их прочности, могут быть более тонкостенны и, следовательно, более опасны в отношении потери местной устойчивости [41].

Инженерные методы расчета местной устойчивости пластинок, входящих в состав тонкостенных стержней, основы которых были заложены в трудах С.П. Тимошенко [51,52], получили дальнейшее развитие в трудах Б.Г. Галеркина [17], А.А. Евстратова [23,24], В.З. Власова [14], Б.М. Броуде [9,10], Д.В. Бычкова [11], А.С. Вольмира [15], Ф. Харта [72], А.Н. Динника [21], Ф. Блейха [7,63] и других известных ученых. Тем не менее, современные методы инженерных расчетов на местную устойчивость, в частности для металлических конструкций, имеют ряд недостатков и, в первую очередь, неадекватность рассматриваемого в них напряженного состояния. Так, например, при рассмотрении местной устойчивости стенок двутавровых балок достаточно грубо имитируется действительное распределение напряжений: отсек стенки считается по нормальным напряжениям, работающим в состоянии чистого изгиба и в то же

время на его кромках предполагается равномерное распределение касательных напряжений. В этих условиях все точки данной продольной фибры отсека находятся в совершенно одинаковом напряженном состоянии, чего в действительности нет. Из местных воздействий учитываются, при наличии сосредоточенных нагрузок, лишь нормальные к кромке стенок давления по Б.М. Броуде [9].

Параболический закон изменения касательных напряжений по высоте стенки при линейном по длине отсека распределении изгибающего момента (от нуля до некоторой величины - опорный отсек) рассмотрел Е. Хвалла [64], причем только для свободно опертой по контуру пластинки и лишь для двух значений с отношением сторон 0,5 и 1. Использованный им энергетический метод выглядит весьма громоздким, что, в общем, исключает возможность его практического применения.

К. Гиркману [71] принадлежит попытка решения задачи об устойчивости стенки балки при сосредоточенной нагрузке в условиях, более близких к действительным. Стенка рассматривалась им как плоский диск, на который опирается пояс, способный скользить вдоль кромки стенки без трения. При этом игнорировалась податливость соединения пояса со стенкой. Компоненты напряжения были представлены в форме медленно сходящихся рядов, поэтому при определении критических напряжений необходимо было брать очень большое число членов аппроксимирующей последовательности.

Некоторые попытки изменения методики проверки местной устойчивости стенок двутавровых балок были предприняты И.Е. Спенглером [49], Е.Л. Тилиной и Г.Г. Троицкой [50], а также рядом других авторов. Их подход сводился к стремлению упростить ход вычислений, что достигалось преобразованием формул. Существенных результатов им достигнуть не удалось.

Впервые в задачах местной устойчивости элементов тонкостенного стержня учет местных напряжений был выполнен В.С. Ширмановым [59]. Им же была полностью решена задача, поставленная Е. Хвалла, о местной устойчивости

стенки балки при переменном по ее длине значении изгибающего момента и параболическом изменении касательных напряжений по высоте отсека.

Общую теорию равновесия стержней открытого профиля, подвергающихся осевому сжатию, разработали Р. Каррпус и Власов В. З. [14]. Для стержня произвольного профиля, закрепленного на концах, Власов ввел уравнение, на основе которого определяется критическая сила продольного изгиба с кручением [12]:

РКр(^\5 + Уя — + Ркр[(РХ + Ру + — ^хУ^ — ^у^] +

+ Ркр(РХРу + РхРщ + РуРы% + РХРУР^ = 0 С11)

¿5 Х5 + Уз + 1-р, 1р 1х + ¿у (1.2)

= ^ (1.3)

ж2Е]

Ру = —¡7^ (14)

k2EJw G]s

+ (1.5)

t is is

где xs, ys - координаты центра изгиба в прямоугольной системе, совпадающей с системой главных осей;

is - полярный радиус инерции относительно центра изгиба;

ip - полярный радиус инерции относительно центра тяжести;

ix, iy - радиусы инерции относительно главных, центральных осей;

Рх - критическая сила в плоскости, проходящей через ось y-y;

Ру - критическая сила в плоскости, проходящей через ось x-x;

Pw - критическая сила при повороте.

Таким образом, Власовым В.З. были сделаны следующие выводы [14]:

1. Числовые значения критических изгибно-крутящих сил отличаются от величин критических изгибающих сил или скручивающей критической силы.

2. Максимальная критическая сила продольного изгиба с кручением всегда меньше критических сил, полученных при рассмотрении потери устойчивости только в форме изгиба или только в форме скручивания.

Теория тонкостенных стержней В.З. Власова, опираясь на гипотезу жесткого контура, предусматривает, что любое поперечное сечение стержня имеет постоянную форму. Поэтому сохранение устойчивости стенок стержней, в сечениях которых имеются сжимающие напряжения, является необходимым условием применения теории.

Уравнения равновесия В.З. Власова являются весьма громоздкими и не позволяют получить решение задачи в замкнутом виде даже при упругой работе материала. Помимо этого, прочностные расчеты конструкций, использующие теорию В.З. Власова в инженерной практике трудно применимы в виду их сложности [41].

Явлением потери местной устойчивости стоек, подвергнутых осевому сжатию, занимались Б.Б. Лампси [32-38], П. Байлард [61], С Ван дер Маас [86], Ф. Блейх [63]. Проблемы устойчивости стержней, подвергающихся иной нагрузке, решаются способом, опирающимся на теорию устойчивости пластинок.

Местная потеря устойчивости связана с деформацией сечения. Продольный изгиб стенки под влиянием нормальных или касательных напряжений возникает при некоторой определенной длине полуволны. а) б) в) г) д)

е)

I

/

I

I

I

Рисунок 3 - Виды деформации контуров тонкостенных профилей Наблюдаются три вида деформации контуров: чистая (Рисунок 3а-д), деформация с боковым сдвигом стенок (Рисунок 3е) и чистый боковой сдвиг

стенок (Рисунок 3ж, з). Во всех трех формах деформации принимается условие, что угол между взаимно пересекающимися стенками остается неизменным. Это означает, что учитывается только жесткость стенок при изгибе.

Общей формой деформации является деформация с боковым сдвигом стенок, появляющаяся в профилях сложного сечения.

Результаты работ Т. Кармана [87], Л. Шумана [82], Э. Сехлера [83,84], Дж. Роудса [80], Р. Каппуса [74], Г. Винтера [88,89,90] и C. Лау [75,76] изучавших потерю местной устойчивости в случаях, когда устойчивость теряет полка с отгибом, вошли в основу EN 1993-1 в разделе проверки устойчивости формы сечения. В трудах Д. Девольфа, Д. Харвей, T. Пекоза, T. Десмонда и др. [66,67,68,73,77,78,79,81] были опытно-теоретическим путем определены рекомендуемые размеры холодногнутых профилей, диапазон их соотношений с толщиной профиля. Параметры профилей были основаны на коэффициенте устойчивости таких элементов Их труды легли в основу расчета по EN 1993-1.

В развитие нормативной базы и инженерных методик расчета тонкостенных конструкций внесли вклад российские ученые: И.И. Ведяков [13], В.В. Зверев [25], А.Р. Туснин [54], Б.Н. Решетников [45], А.И. Колесов [27,28], В.А. Гусев [20], И.В. Урбан [55,56], А.Д. Бондаренко [8], Д.В. Бычков [11], Н.П. Мельников [39,40] и др.

1.2. Анализ американских и европейских норм проектирования тонкостенных стальных конструкций из гнутых профилей

Технология Light Steel Framing Construction применяется в Европе и США с середины XX века. В мировой практике разработаны нормы и стандарты для проектирования таких конструкций, например, EN 1993-1-3 [69] и американский стандарт AISC [85], учитывающие особенности работы холодногнутых профилей из оцинкованной стали в конструкциях зданий и сооружений.

Наиболее полно отражают специфику подбора сечений гнутых профилей нормы Американского института стальных конструкций (Specification for the design of light gage cold-formed steel construction members). Эти нормы не устанавливают никаких ограничений в отношении минимальной толщины элементов профиля и четко разграничивают элементы профиля - окаймленные и неокаймленные. Окаймленные элементы имеют два ребра, неокаймленные - одно ребро. В обычном швеллере (Рисунок 4а) стенка является окаймленным элементом (она окаймлена обеими полками), а полки - неокаймленными элементами. В швеллере с усиленными кромками (Рисунок 4б, 4в) окаймленными являются как стенки, так и полки. Последние окаймлены с одной стороны стенкой, с другой - отогнутой кромкой (липом).

Ширина полки и высота стенки (Рисунок 4г) измеряются между начальными точками примыкающих к ним выкружек (bi и b2) или между началом выкружки и свободной (не усиленной) кромкой (b3).

а) б) в) г)

_I

1

Рисунок 4 - Стальные тонкостенные гнутые профили (схемы) а - швеллер с неокаймленными полками; б, в - швеллеры с окаймленными

полками; г - эскиз к установлению размеров профиля Особенно подробно в нормах разработаны требования к обеспечению местной устойчивости сжатых элементов профилей (стенок и полок) при изгибе и центральном сжатии.

Устойчивость сжатой окаймленной полки при изгибе считается обеспеченной при следующих отношениях:

(16)

b ^ 1070

- - при проверке напряжений;

b ^ 1360 _

- - при проверке прогибов.

(1.7)

где Ь - ширина полки;

5 - толщина полки;

6 - рабочее напряжение в кгс/см (при полном использовании напряжений б - основное допускаемое напряжение).

При больших значениях ^ и проверке напряжений расчетная ширина полки Ьр определяется из графика (Рисунок 5) для углеродистых и низколегированных марок сталей [31].

45

ю

-¡5

40

35

1 30 25

20

углеродистая стапъ

н из к о л. агир о еашая сталь

20

25

30

45

50

55

60

35 40

Отношения Ы5

Рисунок 5 - График значения Ьр/5 окаймленных элементов профиля в зависимости от значений Ь/5

Расчетный (эффективный) момент сопротивления профиля с окаймленными элементами определяется с учетом эффективной площади сечения на основе

значений Ьр.

Местная устойчивость сжатых неокаймленных полок при изгибе обеспечивается снижением основных допускаемых напряжений [б]. Графики сниженных допускаемых напряжений [б] в сжатых неокаймленных полках в

зависимости от значения § представлены на рисунке 5. При значениях § <10

о о

допускаемые напряжения не снижаются.

Для сравнения допускаемых напряжений изгиба при окаймленных и неокаймленных полках на следующем графике (Рисунок 6) показаны допускаемые напряжения для профилей обоих видов [31].

2100 2000

10

20 25

'Ъ

3 5

1500 1400

1000

ъ

з

и

£ 500

1.1 ии 2000 1500 _1400 30 40 ^ 50 6

низколегированная -сталь

~~~1

углеродистая стагъ \

сталь любой мерки

10

20 25 30 40

Отношения Ь/5

50

60

Рисунок 6 - График снижения допускаемых напряжений сжатых неокаймленных полок при изгибе (пунктиром показана кривая допускаемых напряжений для окаймленных профилей) Допускаемые напряжения для окаймленных профилей (см. пунктирную

кривую) определены по формуле [ао] = ^ • [а], где [а] - основное допускаемое

напряжение. Из графиков видно, что при значениях ^ > 25 допускаемые

напряжения при окаймленных полках значительно выше, чем при неокаймленных полках.

Например, при ^ = 40 допускаемые напряжения в профилях с

окаймленными полками 1300 кгс/см , а в профилях с неокаймленными полками -600 кгс/см . Естественно, что гнутые профили с окаймленными полками получают преимущественное применение.

Допускаемое напряжение среза в стенках балок определяется с учетом их устойчивости по формуле:

= 4480000 , 2 а )

(V,)

с максимальным значением 2/3 [а],

где h - высота стенки;

8 - толщина стенки;

[а] - основное допускаемое напряжение.

Среднее рабочее напряжение среза определяется путем деления поперечной силы на площадь сечения стенки. При наличии нескольких стенок в расчет вводится суммарная площадь сечения стенок [53].

Допускаемое напряжение сжатия при изгибе в стенке балки определяется с учетом ее устойчивости по формуле:

г 36500000 / 2 /1

[°"ст] = ^у , кгс/см (1.9)

с максимальным значением [б].

При одновременном действии изгибающих и срезающих напряжений должно быть соблюдено условие:

о т

Г 1+ гт ^ 1 (1.10)

[0-ст] И

где [аст] и [т] - допускаемые напряжения, определенные по приведенным выше формулам;

а -рабочее напряжение сжатия при изгибе в месте сопряжения стенки с полкой;

т - среднее рабочее напряжение среза.

Проверка напряжений центрально-сжатых стержней производится по полной площади сечения с учетом обеспечения местной устойчивости элементов профиля [30]:

- ^ 6400

при Я >

^¡•Jq

г 10400000 . 2 цч

[асж] = —¿2-, кгс/см ; (1.11)

- 6400

при Я < .— ,—

[^сж] = 0,515 • • Q - 2, кгс/см2 (1.12)

В последних формулах приняты следующие обозначения:

Я = ^ (гибкость стержня); l - расчетная длина; г - радиус инерции;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нефедов Глеб Владимирович, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айрумян, Э.Л. Напряженно-деформированное состояние профилированных настилов в упругой и упругопластической стадии // В кн. Теоретические и экспериментальные исследования напряженного состояния элементов строительных металлоконструкций. - Сборник научных трудов [б.н.] - М.: ЦНИИИпроектстальконструкция им. Мельникова, 1989. - С. 57-67.

2. Алахверди, А.А. Разработка системы комплексного научно-технического сопровождения проектирования и возведения уникальных сооружений на примере крытого катка в г. Коломна: диссертация на соискание ученой степени канд. техн.наук: 05.23.01 / Алахверди Александр Антонович. - М., 2010. - 151 с.

3. Алексеев, С.Н. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры, П. Шиссль. - М.: Стройиздат, 1990. -143 с.

4. Алексеев, С.Н. Поведение цинка в твердеющем бетоне на портландцементе / С.Н. Алексеев, Ю.Н. Стругова // Защита металлов. - 1971. - Т. VII. - №6. -С. 421-424.

5. Аронов, Р.И. Испытание сооружений / Р.И. Аронов. - М.: Высшая школа, 1974. - 187 с.

6. Бартелеми, Б. Огнестойкость строительных конструкций / Б. Бартелеми, Ж. Крюппа; Пер. с французского А.Ф. Смирнов. - М.: Стройиздат, 1985. - 216 с.

7. Блейх, Ф. Устойчивость металлических конструкций / Ф. Блейх, под. ред. Э.И. Григолюка. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - 544 с.

8. Бондаренко, А.Д. Опыт применения строительных ферм из тонкостенных гнутых профилей / А.Д. Бондаренко // Сб. Материалы совещания по металлоконструкциям. - 1967. - №3. - С. 36-40.

9. Броуде, Б.М. Устойчивость пластинок в элементах стальных конструкций / Б.М. Броуде. - М.: Машстройиздат, 1949. - 240 с.

10. Броуде, Б.М. О предельной нагрузке внецентренно-сжатого стержня с гибкой стенкой / Б.М. Броуде, М.Д. Корчак // Строительная механика и расчет сооружений. - 1976. - №1. - С. 7-12.

11. Бычков, Д.В. Строительная механика стержневых тонкостенных конструкций / Д.В. Бычков. - М.: Госстройиздат, 1962. - 475с.

12. Васильев, А.А. Металлические конструкции / А.А. Васильев. - М.: Стройиздат. 1975. - 168 с.

13. Ведяков, И.И. Малоуглеродистые стали для металлических конструкций / И.И. Ведяков, П.Д. Одесский // М.: Интермет Инжиниринг. - 1999. - №4. -С. 134-139.

14. Власов, В.З. Тонкостенные упругие стержни / В.З. Власов. - М.: Государственное издательство строительной литературы, 1940. - 276 с.

15. Вольмир, А.С. Устойчивость деформируемых систем. / А.С. Вольмир - М.: Наука, 1967. - 984 с.

16. Вылегжагин, П.В. Стены здания в несъемной опалубке из теплоизоляционного бетона / П.В. Вылегжагин, В.А. Пинскер // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Ячеистые бетоны в современном строительстве». - 2004. - С. 121-127.

17. Галеркин, Б.Г. Упругие тонкие плиты / Б.Г. Галеркин. - М.: Госстройиздат, 1933. - 364 с.

18. Гарднер, Л. Руководство для проектировщиков к Еврокоду 3: Проектирование стальных конструкций EN 1993-1-1, EN 1993-1-3, EN 19931-8 / Л. Гарднер, Д.А Нетеркот; Пер. с английского. - М.: МГСУ МИСИ, 2013. - 160 с.

19. Голубев, А.И. Влияние коррозии металлов на долговечность металлических конструкций / А.И. Голубев // Исследования надежности металлических конструкций. Труды института. - 1979. - С. 85-94.

20. Гусев, В.А. Местные напряжения в тонкостенных металлических стержнях при локальных нагрузках: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.01 / Гусев Виктор Алексеевич. - Горький, 1971. - 16 с.

21. Динник, А.Н. Продольный изгиб. Кручение / А.Н. Динник. - М.: Издательство Академии наук СССР, 1955. - 392 с.

22. Долидзе, Д.Е. Испытание конструкций и сооружений / Д.Е. Долидзе. - М.: Высшая школа, 1975. - 252 с.

23. Евстратов, А.А. Устойчивость прямоугольной пластинки при сложном напряженном состоянии / А.А. Евстратов // Строительная механика и расчет сооружений. - 1970. - №5. С. 13-17.

24. Евстратов, А.А. Устойчивость стенки двутавровой балки под воздействием местных напряжений / А.А. Евстратов // Строительная механика и расчет сооружений. - 1969. - №1. - С. 34-37.

25. Зверев, В.В. Эффективные строительные металлоконструкции на основе объемно-формованного тонколистового проката (исследование, проектирование, изготовление): автореф. дис. д-ра. техн. наук: 05.23.01 / Зверев Виталий Валентинович. - Воронеж, 2006. - 43 с.

26. Золотухин, Ю.Д. Испытание строительных конструкций / Ю.Д. Золотухин -Мн.: Выш. Школа, 1983. - 208 с.

27. Колесов, А.И. Современные методы исследования тонкостенных стальных конструкции / А.И. Колесов, А.А. Лапшин, А.В. Валов // Приволжский научный журнал. - 2007. - №1. - С. 28-32.

28. Колесов, А.И. Исследование несущей способности тонкостенных металлических изгибаемых конструкций при учете местных напряжений: автореф. дис. канд. техн.наук: 05.23.01 / Колесов Александр Иванович. -Горький, 1975. - 32 с.

29. Конаков, А.И. Контроль за состоянием конструкций замерами деформаций / А.И. Конаков // Исследования надежности металлических конструкций. Труды института. - 1979. - № 7. - С. 117-122.

30. Котляр, Е.Ф. Стальные конструкции из гнутых профилей в строительстве за рубежом. Опыт зарубежного строительства / Е.Ф. Котляр // ЦИНИС ГОССТРОЯ СССР. - 1971. - №1. - С. 4-17.

31. Кузнецов, В.В. Проектирование и изготовление стальных строительных конструкций в США. Опыт зарубежного строительства. Обзор / В.В. Кузнецов // ЦИНИС ГОССТРОЯ СССР. - 1976. - №3. - С. 37-48.

32. Лампси, Б.Б. Металлические несущие конструкции из тонкостенных стержней / Б.Б. Лампси. - Горький: ГГУ им. Н.И. Лобачевского, 1983. - 72 с.

33. Лампси, Б.Б. Металлические тонкостенные несущие конструкции при локальных нагрузках / Б.Б. Лампси. - М.: Стройиздат, 1979. - 270 с.

34. Лампси, Б.Б. Напряжения в поясах тонкостенных призматических стержней при поперечных нагрузках / Б.Б. Лампси // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1964. - №11. - С.23-28.

35. Лампси, Б.Б. Определение напряжений в тонкостенных стержнях двухсвязного поперечного сечения методом их расчленения на элементы / Б.Б. Лампси // Прикладные проблемы прочности и пластичности. - 1981. -№18. - С.137-144.

36. Лампси, Б.Б. Прочность тонкостенных металлических конструкций / Б.Б. Лампси. - М.: Стройиздат, 1987. - 169 с.

37. Лампси, Б.Б. Уточненная методика расчета напряженного состояния металлических стержней с двухсвязным поперечным сечением / Б.Б. Лампси // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1982. - №10. - С.1-4.

38. Лампси, Б.Б. К вопросу об устойчивости пластинок при действии нормальных и касательных напряжений / Б.Б. Лампси, В.С. Ширманов // Науч. тр. ГИСИ, - 1970. - №52. - С. 95-102.

39. Мельников, Н.П. Металлические конструкции: Современное состояние и перспективы развития / Н.П. Мельников. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.

40. Мельников, Н.П. Развитие металлических конструкций / Н.П. Мельников. -М.: Издательство литературы по строительству, 1965. - 280 с.

41. Металлические конструкции В 3 т. Т. 1. Общая часть (Справочник проектировщика) / под общ. ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова) - М.: АСВ, 1998. - 576 с.

42. Орешкин, С.В. Модели состояний металлических конструкций при регулировании усилий и перемещений / С.В. Орешкин // Металлические конструкции. Сборник трудов - 1985. - №5. - С. 91-99.

43. Парцевский, В.В. Ползучесть металлических элементов конструкций в условиях пожара / В.В. Парцевский, В.Н. Ильин. - М.: Стройиздат, 1990. -123 с.

44. Производство и применение гнутых профилей проката. Справочник / под общ. редакцией докт. техн. наук И.С. Тришевского. - М.: Металлургия, 1975. - 221 с.

45. Решетников, Б.Н. Конструкции из гнутых профилей для покрытий производственных зданий / Б.Н. Решетников // Труды института. - 1989. -№4. - С. 98-105.

46. Руководство по подготовке и проведению многопараметрических измерений при испытаниях строительных металлоконструкций. - М.: Госстрой, 1981. - 47 с.

47. СП 16.13330.2017 Стальные конструкции, актуализированная редакция СНиП II-23-81* - введ. в действие 2017-08-28. - Изд. офиц. - М.: Госстрой России. - 148 с.

48. СП 260.1325800.2016 Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов - введ. в действие 2017-06-04. - Изд. офиц. - М.: Госстрой России - 116 с.

49. Спенглер, И.Е. О расчете местной устойчивости стенок составных балок / И.Е. Спенглер // Строительная промышленность. - 1958. - №7 - С. 27-30.

50. Тилина, Е.Л. Таблицы и графики для проверки местной устойчивости стенок стальных балок / Е.Л. Тилина, Г.Г. Троицкая // Промышленное строительство. - 1962. - №12. - С. 55-60.

51. Тимошенко, С.П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек / С.П. Тимошенко. - М.: Наука, 1971. - 808 с.

52.Тимошенко, С.П. Устойчивость упругих систем / С.П. Тимошенко. - М.: Гостехиздат, 1946. - 403 с.

53. Тришевский, И.С. Металлические облегченные конструкции / И.С. Тришевский, В.В. Клепанда. - Киев: Будiвельник, 1978. - 152 с.

54. Туснин, А.Р. Перекрытия многоэтажных зданий со стальным каркасом / А.Р. Туснин // Промышленное и гражданское строительство. - 2015. - № 8. -С. 10-14.

55. Урбан, И.В. Общая форма расчета на стесненное кручение тонкостенных открытых и закрытых профилей / И.В. Урбан // Труды МЭМИИТ. - 1953. -№62. - С. 27-39.

56. Урбан, И.В. Теория расчета стержневых тонкостенных конструкций / И.В. Урбан. - М.: Трансжелдориздат, 1955. - 192 с.

57. Усачева, Т.М. Испытание натурных конструкций из тонкостенных профилированных листов / Т.М. Усачева // В кн.: Натурные испытания инструментальные наблюдения и контроль строительных конструкций при возведении и эксплуатации инженерных сооружений. - М.: ЦНИИпроектстальконструкция им.Мельникова. - 1990 - С. 117-124.

58. Холопова Л.И. Коррозия арматуры в автоклавных ячеистых бетонах и способы ее предупреждения / Л.И. Холопова. - Ленинград: Издательство литературы по строительству, 1965. - 96 с.

59. Ширманов, В.С. Исследование местной устойчивости стенок металлических балок при действии локальных нагрузок: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.01 / Ширманов Владимир Степанович. - Горький, 1971. -18 с.

60. Школоуд, М. Тонкостенные стальные конструкции из холоднодеформированных профилей / М. Школоуд. - Прага: Государственное издательство технической литературы ЧССР, 1963. - 196с.

61. Bijlaard, P. Interaction of column and local buckling in compression members / P. Bijlaard, G. Fisher // NACA Technical. - 1952. - № 2640. - P. 52-70.

62. Bird, C.E. The influence of minor constituents in portlandcement on the bechaviour of galvanized steel in concrete / C.E. Bird // Corros. Prev. and Control. - 1964. -№7. - P. 17-21.

63. Bleich, F. Buckling strength of metal structures / F. Bleich, L.B. Ramsey // Mc Graw Hill Book Company. - 1952. - [6.h.]. - P. 117-135.

64. Chwalla, E. Beitrag zuz Stabilitattheorie des Stegbleches vollwendi dez Trager / Chwalla E // Stahlbau. - 1936. - №21/22. - P. 19-27.

65. Cook, H.A. Coating treatment for reinforcing steel / H.A. Cook // Concrete. -1977. - №11(1). - P. 31-33.

66. Desmond, T. P. Intermediate Stiffeners for Thinwalled Members / T. P. Desmond, T. Pekoz, G. Winter // Fifth International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, University of Missouri-Rolla, Ed. W. W. Yu and J. H. Senne. - 1980. - P. 73-111.

67. Dewolf, J. T. Local and Overall Buckling of Cold-Formed Members / J. T. Dewolf, T. Pekoz, G. Winter // J. of the Structural Div., ASCE. - 1974. - №10. -P. 207-236.

68. Dwight, J. B. Stiffened Steel Compression Flanges - A Simpler Approach / J. B. Dwight, G. H. Little // The Structurl Engineer. - 1976. - №12. - P. 501-509.

69. Eurocode 3. Design of Steel Structures. Part 1.3. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. CEN. 2004. - 125 p.

70. Eurocode 3. Design of Steel Structures. Part 1.5. Plated structural elements. CEN. 2004. - 60 p.

71. Girkmann, K. Stegblechbeulung unter ortlichen Lastangriff / K. Glrkman // Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschaften. - 1936. - №11a. - P.145-152.

72. Hart, F. Stahl bau atlas / F. Hart, W. Henn, H. Sontag // Verlag Architektur+Baudetail, Munchen. - 1977. - [6.h.]. - P. 225-344.

73. Harvey, J.M. Structural Strength of Thin-Walled Channel Sections / J.M. Harvey // Engineering. - 1953. - P. 291-293.

74. Kappus, R. Drillknicken zentrisch gedruckter Stada mit offenem Profil in elastischen Bereich / R. Kappus // Luftfahrtforschung. - 1937. - №9. - P. 62-73.

75. Lau, S.C.W. Distortional Buckling Formulas for Channel Columns / S.C.W. Lau, G.J. Hancock // Journal of Structural Engineering, ASCE. - 1987. - №113(5). - P. 163-178.

76. Lau, S. C. W. Inelastic Buckling of Channel Columns in the Distortional Mode / S.C.W. Lau, G.J. Hancock // Thin-Walled Structures. - 1990. - №10(1). - P. 5984.

77. Nolke, K. Biegungsbenlung der Reechteckplatte / K. Nolke // Ing. - Archiv, -1937. - №6. - P. 17-28.

78. Pekoz, T. Progress Report on Cold-Formed Steel Storage Rack Design / T. Pekoz, G. Winter // Proceedings of the Third International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, Dept. of Civil Engineering, University of Missouri-Rolla. - 1975. - №11. - P. 823-837

79. Pekoz, T. Development of a Unified Approach to the Design of Cold-Formed Steel Members / T. Pekoz // American Iron and Steel Institute Research Report, CF 87-1. - 1987. - P. 77-84.

80. Rhodes, J. Interaction Behaviour of Plain Channel Columns under Concentric or Eccentric Loading / J. Rhodes, J.M. Harvey // Proc. of the 2nd Int'l. Colloquim on the Stability of Steel Structures. ECCS, Liege. - 1977. - P. 439-444.

81. Schafer, B. W. Designing Cold-Formed Steel Using the Direct Strength / B.W. Shafer // Method 18th International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures Orlando, Florida. - 2006. - № 10. - P.15.

82. Schuman, L. Strength rectangular flat plates under edge compression / L. Schuman, G. Back // National Advisory Committee for Aeronautics. Technical Reports. - 1930. - №356. - P. 297-312.

83. Sechler, E.E. Stress distribution in stiffened panels under compression / E.E. Sechler // Journal of the Aeronautical Sciences. - 1937. - №.320. - P. 115-131.

84. Sechler, E.E. The ultimate strength of thin flat sheets in compression / E.E. Sechler // Gugenheim Aeronautical Laboratory Publications. - 1933. - №27. -P. 35-47.

85. Steel construction manual fourteenth edition american institute of steel construction / American Institute of Steel Construction ISBN 1-56424-060-6. -2011. - p. 693.

86. Van der Maas, C. Charts for the calculation of the critical compressive stress for local instability of columns with hat sections / C. Van der Maas // Journal of the Aeronautical Sciences. - 1954. - №6. - P. 10-19.

87. Von Karman, Th. The strength of thin plates in compression / Th. Von Karman, E.E. Sechler, L.H. Donnel // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. Applied Mechanics. - 1932. - №2. - P. 51-63.

88. Winter, G. Light gage (thin walled) steel structures for buildings in the USA / G. Winter // Preliminary Publication. IV Congress International Association for Bride and Structural Engineering. - 1952. - P. 43-58.

89. Winter, G. Performance of thin steel compression flanges / G. Winter // Preliminary Publication. III Congress. International Association for Bride and Structural Engineering. - 1948. - P. 102-113.

90. Winter, G. Strength of thin stell compression flanges / G. Winter // Transactions of the American Society of Civil Engineers. - 1946. - №2. - P. 87-96.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Справка и акт о внедрении результатов диссертационного исследования

Результаты диссертационной работы Нефедова Глеба Владимировича «Конструкции жилых и общественных зданий на каркасах из легких стальных оцинкованных тонкостенных профилей (ЛСТК) на примере жилого дома в д. Кривское Калужской области» были использованы при расчете, проектировании и производстве работ на объектах «4-х и 6-ти этажные жилые дома в д. Кривское Калужской области».

В результате внедрения был получен экономический эффект в связи с уточнением первоначальной металлоемкости каркаса здания, а также обеспечена долговечность, коррозионная стойкость, теплоэффективность и огнестойкость конструкций зданий.

15.09.2020г.

СПРАВКА

о внедрении результатов диссертационного исследования

Генеральный директор

шикшШ^ШинАА-

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Патент на полезную модель